Magneettinen nanohiukkassynteesi: laboratoriosta tuotantoon
Magneettiset nanohiukkaset (MNP) ovat ratkaiseva komponentti erilaisissa tieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa, mukaan lukien biolääketieteellinen kuvantaminen, kohdennettu lääkkeiden annostelu, katalyysi ja ympäristön korjaaminen. Magneettisten nanohiukkasten ominaisuuksien, kuten koon, muodon, magneettisen käyttäytymisen ja pinnan toiminnallisuuden, tarkka hallinta on välttämätöntä näiden sovellusten erityisvaatimusten täyttämiseksi. Ultraäänisynteesi, jota helpottavat Hielscher-koetintyyppiset sonikaattorit, tarjoaa monipuolisen ja skaalautuvan menetelmän korkealaatuisten magneettisten nanohiukkasten tuottamiseksi.
Sonikaatio nanohiukkassynteesissä
Ultrasonication käyttää korkean intensiteetin ultraääniaaltoja tuottamaan paikallisia korkean energian vyöhykkeitä nestemäisessä väliaineessa akustisen kavitaation avulla. Tämä ilmiö tuottaa voimakkaita leikkausvoimia, korkeita paineita ja kohonneita lämpötiloja, mikä luo ympäristön, joka edistää nanohiukkasten hallittua nukleaatiota ja kasvua. Ultrasonicationin etuja ovat yhtenäinen sekoittaminen, tehostettu massansiirto, kyky vaikuttaa reaktiokinetiikkaan ja funktionalisoida hiukkasia, mikä tekee siitä erityisen tehokkaan yhtenäisten magneettisten nanohiukkasten syntetisoimiseksi.
Teollisuuden ultraääniprosessori UIP16000hdT (16kW) magneettisten nanohiukkasten laajamittaiseen synteesiin.
Magneettisten nanohiukkasten synteesi: laboratoriosta laajamittaiseen tuotantoon
Laboratoriomittakaavan magneettisten nanohiukkasten synteesi
Laboratorio-olosuhteissa Hielscher-koetintyyppisiä sonikaattoreita käytetään yleisesti magneettisten nanohiukkasten syntetisoimiseen yhteissaostumisen, termisen hajoamisen tai solvotermisten menetelmien avulla. Hallitsemalla ultraääniparametreja, kuten amplitudi, sonikaatiokesto, pulssitila ja lämpötila, tutkijat voivat saavuttaa yhtenäiset hiukkaskoot ja kapeat kokojakaumat.
Esimerkiksi yhteissaostusmenetelmä hyötyy merkittävästi ultraäänikavitaatiosta, mikä parantaa rauta- ja rautaprekursorien sekoittumista emäksisiin liuoksiin, mikä johtaa homogeenisesti nukleoituihin magnetiitti (Fe₃O₄) nanohiukkasiin. Lisäksi ultrasonication vähentää reaktioaikaa ja parantaa nanohiukkasten magneettisia ja rakenteellisia ominaisuuksia.
Lue lisää ultraäänimagnetiittisynteesistä!
Pilotti- ja teollisen mittakaavan tuotanto
Hielscher-sonikaattoreiden skaalautuvuus on kriittinen etu siirryttäessä laboratoriomittakaavan tutkimuksesta teollisen mittakaavan tuotantoon. Pilottimittakaavan järjestelmissä suuremmat ultraäänianturit (sonotrodit) ja läpivirtausreaktorit mahdollistavat magneettisten nanohiukkasten jatkuvan tuotannon tasalaatuisesti. Kyky toimia korkeapaineisissa olosuhteissa ja ohjausprosessin parametreissa varmistaa toistettavuuden ja skaalautuvuuden.
Teollisessa tuotannossa Hielscherin ultraäänireaktorit voivat käsitellä suuria määriä prekursoriliuoksia säilyttäen halutut hiukkasominaisuudet. Tämä skaalautuvuus on välttämätöntä sovelluksissa, joissa tarvitaan suuria määriä magneettisia nanohiukkasia, kuten magneettisissa erotustekniikoissa tai lääkkeiden annostelujärjestelmissä.
Tapaustutkimus: Ultraäänimagneettinen nanohiukkassynteesi
(2020) yhdisti sonokemian palamiseen magneettisten nanohiukkasten syntetisoimiseksi käyttämällä rauta (II) -asetaattia ja rauta (III) -sitraattiprekursoreita, jotka on dispergoitu polyetyleeniglykoliin (PEG 400) ultraäänihomogenoinnilla. Näitä nanohiukkasia testattiin DNA: n erottamiseksi käyttämällä E. colin plasmidi-DNA: ta. Karakterisointitekniikat paljastivat hyvin dispergoituneita nanohiukkasia, joilla oli hydroksyylifunktionalisoitu pinta, jotka FTIR tunnisti, ja magnetiitin, maghemiitin ja hematiitin magneettisia faaseja, jotka XRD vahvisti. Nanohiukkaset osoittivat hyvää dispergoituvuutta vedessä, kuten elektrokineettisen potentiaalin mittaukset osoittavat, joten ne soveltuvat bioerotussovelluksiin.
Ultraäänimagneettisen nanohiukkassynteesin protokolla
Magneettiset nanohiukkaset syntetisoitiin käyttämällä sonokemiallista palamismenetelmää kahdella eri esiasteella: rauta (II) asetaatti (näyte A1) ja rauta (III) sitraatti (näyte D1). Molemmat näytteet noudattivat samaa menettelyä, ja ne erosivat toisistaan vain käytetyn lähtöaineen osalta. Näytteessä A1 dispergoitiin 2 g rauta(II)asetaattia 20 g:aan polyetyleeniglykolia (PEG 400) ja näytteessä D1 käytettiin 3,47 g rauta(III)sitraattia. Dispersio saavutettiin käyttämällä Hielscherin tehokasta sonikaattoria UIP1000hdT (katso kuva vasemmalla).
Sonokemiallisen käsittelyn jälkeen PEG poltettiin Bunsen-polttimella magneettisten rautaoksidinanohiukkasten tuottamiseksi.
Tulokset
Tuloksena olevat nanohiukkaset karakterisoitiin XRD-, TEM-, DLS- ja FTIR-menetelmillä. Synteesi yhdisti onnistuneesti sonokemialliset ja palamistekniikat, jolloin saatiin magneettisia nanohiukkasia. Erityisesti näyte A1 osoittautui sopivaksi DNA:n puhdistukseen ja tarjosi kustannustehokkaamman vaihtoehdon olemassa oleville kaupallisille vaihtoehdoille.
Ultraäänellä syntetisoitujen magneettisten nanohiukkasten TEM: Vasen: rauta (II) asetaatti (näyte A1); oikealla: rauta(III)sitraatti (näyte D1).
Tutkimus ja kuva: ©Ilosvai ym. 2020.
Ultraäänilaite UP400St magneettisten nanohiukkasten sonokemialliseen synteesiin
Hielscher Sonicators: teknologinen etu nanohiukkassynteesissä
Hielscher Ultrasonics on johtava ultraäänikäsittelytekniikka, joka tarjoaa koetintyyppisiä sonikaattoreita, joissa on jopa 16 000 wattia sonikaattoria kohti, ja joka on suunniteltu sovelluksiin, jotka vaihtelevat laboratoriomittakaavan kokeista teolliseen tuotantoon. Nämä laitteet tarjoavat korkean intensiteetin ultraäänitehon, tarkan amplitudin hallinnan ja lämpötilan seurannan, mikä tekee niistä ihanteellisia herkille prosesseille, kuten magneettiselle nanohiukkassynteesille.
Hielscher-sonikaattoreiden keskeisiä ominaisuuksia ovat:
- Tarkasti säädettävä amplitudi: Mahdollistaa kavitaatiointensiteetin hienosäädön optimaalisen nanopartikkelisynteesin saavuttamiseksi.
- Skaalautuvuus: Modulaariset rakenteet mahdollistavat saumattoman siirtymisen pienimuotoisesta R:stä&D laajamittaiseen tuotantoon.
- Integroitu lämpötilan säätö: Estää ylikuumenemisen ja varmistaa vakaat reaktio-olosuhteet.
- Kestävyys ja monipuolisuus: Soveltuu erilaisiin liuottimiin ja prekursorijärjestelmiin, mukaan lukien vesi- ja orgaaniset faasit.
- Tarkkuus ja toistettavuus: Yhdenmukaiset tulokset eri erissä varmistavat magneettisten nanohiukkasten ominaisuuksien luotettavuuden.
- Energiatehokkuus: Tehokas energiansiirto minimoi jätteen määrän ja vähentää tuotantokustannuksia.
- Muokattavat kokoonpanot: Joustavat mallit sopivat erilaisiin reaktiovaakoihin ja kemikaaleihin.
- Ympäristöystävällisyys: Vähentynyt riippuvuus voimakkaista kemikaaleista ja lyhyemmät reaktioajat pienentävät ympäristöjalanjälkeä.
Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa
Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 0.5 - 1.5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| 15-150L | 3 - 15L / min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Ultraäänellä syntetisoitujen magneettisten nanohiukkasten sovellukset
Hielscher-sonikaattoreilla syntetisoitujen magneettisten nanohiukkasten erinomainen laatu laajentaa niiden sovellettavuutta korkean suorituskyvyn sovelluksiin:
- Biolääketiede: Tarkasti suunnitellut magneettiset nanohiukkaset parantavat magneettikuvauksen (MRI) kontrastia ja mahdollistavat kohdennetun lääkkeen annostelun.
- Katalyysi: Korkean pinta-alan magneettiset nanohiukkaset toimivat tehokkaina katalysaattoreina kemiallisissa reaktioissa.
- Ympäristötiede: Funktionalisoituja magneettisia nanohiukkasia käytetään vedenkäsittelyyn ja epäpuhtauksien poistoon.
Kirjallisuus / Viitteet
- Ilosvai, Á.M.; Szőri-Dorogházi, E.; Prebob, A.; Vanyorek, L. (2020): Synthesis And Characterization Of Magnetic Nanoparticles For Biological Separation Methods. Materials Science and Engineering, Volume 45, No. 1; 2020. 163–170.
- Kis-Csitári, J.; Kónya, Zoltán; Kiricsi, I. (2008): Sonochemical Synthesis of Inorganic Nanoparticles. In book: Functionalized Nanoscale Materials, Devices and Systems, 2008.
- Ilosvai, A.M.; Dojcsak, D.; Váradi, C.; Nagy, M.; Kristály, F.; Fiser, B.; Viskolcz, B.; Vanyorek, L. (2022): Sonochemical Combined Synthesis of Nickel Ferrite and Cobalt Ferrite Magnetic Nanoparticles and Their Application in Glycan Analysis. International Journal of Molecular Sciiences. 2022, 23, 5081.
- L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.
Usein Kysytyt Kysymykset
Mitä ovat magneettiset nanohiukkaset?
Magneettiset nanohiukkaset ovat hiukkasia, joiden nanomittakaava on tyypillisesti 1–100 nm ja jotka koostuvat magneettisista materiaaleista, kuten raudasta, koboltista, nikkelistä tai niiden oksideista (esim. magnetiitti tai maghemiitti). Näillä hiukkasilla on magneettisia ominaisuuksia, joita ulkoiset magneettikentät voivat manipuloida. Koostaan, rakenteestaan ja koostumuksestaan riippuen magneettisilla nanohiukkasilla voi olla erilaisia magneettisia käyttäytymismalleja, kuten ferromagnetismi, ferrimagnetismi tai superparamagnetismi.
Pienen kokonsa ja magneettisen virittävyytensä ansiosta niitä käytetään monenlaisissa sovelluksissa, mukaan lukien
biolääketieteelliset, ympäristölliset ja teolliset sovellukset.
Mitä ovat supraparamagneettiset nanohiukkaset?
Superparamagneettiset nanohiukkaset ovat nanomittakaavan hiukkasia (tyypillisesti alle 50 nm), jotka on valmistettu magneettisista materiaaleista, kuten rautaoksidista (esim. magnetiitti tai maghemiitti). Ne osoittavat magneettista käyttäytymistä vain ulkoisen magneettikentän läsnä ollessa ja menettävät magneettisuutensa, kun kenttä poistetaan. Tämä johtuu siitä, että lämpöenergia tässä pienessä koossa estää hiukkasia säilyttämästä pysyvää magneettista momenttia välttäen aggregaatiota.
Nämä ominaisuudet tekevät niistä erittäin hyödyllisiä biolääketieteellisissä sovelluksissa, kuten kohdennetussa lääkkeiden annostelussa, magneettikuvauksessa (MRI) ja hypertermiaterapiassa sekä ympäristö- ja teollisuussovelluksissa.
Mitä eroa on ferromagnetismilla, ferrimagnetismilla ja superparamagnetismilla?
Ferromagnetismi tapahtuu, kun materiaalin magneettiset momentit kohdistuvat yhdensuuntaisesti toistensa kanssa voimakkaiden vaihtovuorovaikutusten vuoksi, mikä johtaa suureen nettomagnetointiin jopa ilman ulkoista magneettikenttää.
Ferrimagnetismiin liittyy myös järjestettyjä magneettisia momentteja, mutta ne kohdistuvat vastakkaisiin suuntiin epätasaisilla suuruuksilla, mikä johtaa nettomagnetoitumiseen.
Superparamagnetismia havaitaan hyvin pienissä nanohiukkasissa ja syntyy, kun lämpöenergia voittaa magneettisen järjestyksen, jolloin magneettiset momentit vaihtelevat satunnaisesti; Ulkoisen magneettikentän alla momentit kuitenkin kohdistuvat ja tuottavat voimakkaan magneettisen vasteen.
Mitä nanohiukkasia syntetisoidaan usein sonokemiallisesti?
Sonokemiallista synteesiä käytetään laajalti erilaisten nanohiukkasten tuottamiseen, koska se pystyy tuottamaan paikallisia korkeita lämpötiloja, paineita ja reaktiivisia lajeja akustisen kavitaation avulla. Yleisesti syntetisoituja nanohiukkasia ovat metallinanohiukkaset, metallioksidinanohiukkaset, kalkogenidinanohiukkaset, perovskiittinanohiukkaset, polymeerinanohiukkaset ja hiilipohjaiset nanomateriaalit.
Löydät lisätietoja ultraäänisynteesistä ja protokollista muutamista valituista nanohiukkasista ja nanorakenteista täältä:
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.